Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench

Christof Gebhardt
Praxisbuch
FEM mit ANSYS Workbench
Einführung in die lineare und nichtlineare Mechanik
2., überarbeitete Auflage
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Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench
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Christof Gebhardt
Praxisbuch FEM mit
ANSYS Workbench
Einführung in die lineare und
nichtlineare Mechanik
2., überarbeitete Auflage
Der Autor: Christof Gebhardt, CADFEM GmbH, Grafing bei München
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den.
© 2014 Carl Hanser Verlag München
Gesamtlektorat: Julia Stepp
Sprachlektorat: Kathrin Powik, Lassan
Herstellung: Andrea Reffke
Umschlagrealisation: Stephan Rönigk
Titelillustration: © 3D-Messmaschine Universal von Coord3, Bruzolo, Italien (Vertrieb: Zaske Software &
Technik GmbH, Bad Camberg)
Satz: Kösel, Krugzell
Druck und Bindung: Kösel, Krugzell
Printed in Germany
ISBN 978-3-446-43919-1
E-Book-ISBN 978-3-446-43956-6
www.hanser-fachbuch.de
Inhalt
Vorwort
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
1 Vorteile der simulations­getriebenen Produktentwicklung 1.1
1.2
1.3
1.4
1
Zahl der Prototypen reduzieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kosten einsparen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Produktinnovationen fördern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Produktverständnis vertiefen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
3
4
6
2 Voraussetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.1Grundlagenkenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Organisatorische Unterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Geeignete Soft- und Hardware-Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Grundlagen der FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.1Grundidee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Was heißt Konvergenz? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Was heißt Divergenz? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4Genauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
16
17
18
4 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.1Nichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1.1Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Nichtlineares Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3 Geometrische Nichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2Statik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Beulen und Knicken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1Modalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2 Angeregte Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3 Fortgeschrittene modalbasierte Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.4 Nichtlineare Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
25
27
28
35
38
38
42
44
52
VI  Inhalt
4.5Topologie-Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6Betriebsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8 Weitergehende Simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.1Temperaturfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.2Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.3 Elektromagnetische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.4 Gekoppelte Analysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.5Systemsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9Robust-Design-Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Standardisierung und Automatisierung
65
66
73
77
77
78
79
80
82
84
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1 Generische Lastfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2Skriptprogrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Makrosprache Mechanical APDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4 FEM-Simulation mit dem Web-Browser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
91
93
94
6 Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
6.1Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2Anwenderunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4Datenmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Hardware und Organisation der Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
99
100
101
101
7 Erster Start
7.1
7.2
7.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Analyse definieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Berechnungsmodell und Lastfall definieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Ergebnisse erzeugen und prüfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8 Der Simulationsprozess mit ANSYS Workbench . . . . . . . . .
117
8.1Projekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.1.1 Systeme und Abhängigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.2 CAD-Anbindung und geometrische Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.3 Archivieren von Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2Analysearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3 Technische Daten für Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.1 Modellieren mit dem DesignModeler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
119
122
127
129
130
132
132
Inhalt VII
8.4.2 Geometrie erstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.4.3 Analysen in 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.4.4Balken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.5Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.5.1 Die Mechanical-Applikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.5.2 Geometrie in der Mechanical-Applikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8.5.3Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.5.4 Virtuelle Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.5.5Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.5.6Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.6Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.6.1Analyseeinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.6.2Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.6.3 Definitionen vervielfältigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.7Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.7.1Solver-Informationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8.7.2 Konvergenz nichtlinearer Analysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
8.7.3 Wenn die Berechnung nicht durchgeführt wird . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.8Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.8.1 Spannungen, Dehnungen, Verformungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.8.2 Darstellung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.8.3 Automatische Dokumentation – Web-Report . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.8.4Schnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.8.5 Reaktionskräfte und -momente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.8.6 Ergebnisbewertung mit Sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.9Lösungskombinationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9 Übungen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.1Biegebalken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
9.2 Scheibe mit Bohrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.3Parameterstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.4 Designstudien, Sensivitäten und Optimierung mit optiSLang . . . . . . 252
9.5 Temperatur und Thermospannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.6 Festigkeit eines Pressenrahmens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.7FKM-Nachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.8Presspassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
9.9 Hertz’sche Pressung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.10 Steifigkeit von Kaufteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.11 Druckmembran mit geometrischer Nichtlinearität . . . . . . . . . . . . . . . . 290
9.12 Elastisch-plastische Belastung einer Siebtrommel . . . . . . . . . . . . . . . . 293
9.13 Bruchmechanik an einer Turbinenschaufel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.14Schraubverbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
VIII  Inhalt
9.15Elastomerdichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.16 Aufbau und Berechnung eines Composite-Bootsrumpfs . . . . . . . . . . .
9.17 Beulen einer Getränkedose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.18 Schwingungen an einem Kompressorsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.19Mehrkörpersimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.20 Containment-Test einer Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.21 Falltest für eine Hohlkugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.22 Lineare Dynamik einer nichtlinearen Elektronikbaugruppe . . . . . . . .
9.23 Kopplung von Strömung und Strukturmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.24 Akustiksimulation für einen Reflexionsschalldämpfer . . . . . . . . . . . . .
9.25 Schallabstrahlung eines Eisenbahnrades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.26 Elektrisch-thermisch-mechanischer Mikroantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.27 Verhaltensmodell für die Systemsimulation einer Messmaschine . .
313
322
333
340
346
352
359
365
374
376
380
385
389
10 Konfiguration von ANSYS Workbench . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
395
10.1 Maßeinheiten und Geometriearten festlegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
10.2Simulationseinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
11 Export von Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
399
11.1 Einbindung von alternativen Solvern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
11.2 Export zu Excel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
Index
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Vorwort
ANSYS Workbench ist eine der meistverbreiteten Softwarelösungen für strukturmecha­
nische Simulationen, mit deren Hilfe Produkte schneller, zu geringeren Kosten und mit
höherer Qualität auf den Markt gebracht werden können.
Dieses Praxisbuch vermittelt die notwendigen Grundlagen, um mit ANSYS Workbench
typische Fragestellungen mithilfe strukturmechanischer Simulationen zu beantworten.
Der grundlegende Aufbau wurde in der vorliegenden zweiten Auflage beibehalten. Im
ersten Teil (Kapitel 1 bis 6) werden die Grundlagen der verschiedenen Analysemöglich­
keiten dargestellt, im zweiten Teil (Kapitel 7 und 8) werden die wichtigsten Funktionen
für die strukturmechanische FEM-Simulation mit ANSYS erklärt und der dritte Teil (Kapi­
tel 9) enthält Übungen zu typischen Applikationen.
Die Arbeitsabläufe wurden an den aktuellen Stand der Software (Version 15) angepasst
und die Übungsbeispiele entsprechend aktualisiert.
Unter http://downloads.hanser.de finden Sie die Geometrien und Muster­
lösungen zu den im Buch beschriebenen Übungen.
In den letzten Jahren sind mir weitere interessante Anwendungen ans Herz gewachsen, in
die Sie in dieser Auflage durch neu hingekommene Übungen einen Einblick erhalten:
ƒƒ Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach FKM
ƒƒ transiente Dynamik auf Basis modaler Superposition
ƒƒ Linearisierung nichtlinearer Strukturen
ƒƒ Schallabstrahlung und Akustik
ƒƒ Modellordnungsreduktion zur Verwendung von reduzierten FEM-Modellen in der Sys­
temsimulation
ƒƒ Systematische Designvariation
Ich danke allen Lesern für ihre Rückmeldungen zur ersten Auflage, meinen Kollegen bei
CADFEM für ihr offenes Ohr bei all meinen Fragen, und vor allem meiner Frau Gerda für
ihre Geduld.
Grafing, im Januar 2014
Christof Gebhardt
1
Vorteile der simulations­
getriebenen Produktentwicklung
Das Umfeld, in dem sich die heutige Produktentwicklung befindet, erfährt immer schnel­
lere Zyklen. Die Anforderungen von Kundenseite steigen, die Komplexität von techni­
schen Systemen nimmt zu. Steigende Variantenvielfalt und höhere Qualitätsanforderun­
gen zwingen zu einer verbesserten Produktqualität. Gleichzeitig treten neue Konkurrenten
auf den Weltmarkt, welche die traditionelle Produktentwicklung zu deutlich niedrigeren
Kosten bewerkstelligen können.
Herausforderungen
Um sich unter diesen verschärften Wettbewerbsbedingungen behaupten zu können, müs­
sen alle Anstrengungen unternommen werden,
ƒƒ die Entwicklungszeiten zu verringern,
ƒƒ die Herstellkosten zu senken,
ƒƒ die Innovation und Kreativität zu steigern,
ƒƒ und eine höhere Qualität zu erzielen.
Die Verkürzung der Entwicklungszeit erlaubt es, mit einem Produkt schneller am Markt
zu sein, und ermöglicht einen schnelleren Produktwandel. Besonders bedeutsam ist eine
rasche Prototypenentwicklung. Prof. Bullinger stellte in der Zeitschrift Technica fest, dass
häufig 25 % der Entwicklungszeit für die Erstellung von Prototypen aufgewendet wird und
dass bei 60 % der Prototypen die Fertigungszeit mehrere Monate in Anspruch nimmt.
Entwicklungszeit
■■1.1 Zahl der Prototypen reduzieren
Die FEM-Simulation erlaubt es, die Anzahl der Prototypen deutlich zu reduzieren. Bereits
während der Entwicklung können in frühen Phasen des Entwurfs die wesentlichen Eigen­
schaften überprüft werden. Gerät z. B. der Maschinentisch einer Werkzeugmaschine in
Resonanz, weil die Eigenfrequenz in der Nähe der Anregungsfrequenz des Antriebes liegt,
sind tief greifende Änderungen notwendig. Anstatt solche Probleme erst am realen Proto­
typen festzustellen, wo Änderungen sehr zeit- und kostenintensiv sind, werden durch
entwicklungsbegleitende Überprüfungen per FEM Problemzonen noch vor dem Bau eines
Zahl der Prototypen
­reduzieren
2 1 Vorteile der simulations­getriebenen Produktentwicklung
Prototypen sichtbar. Mit dem Einsatz der FEM-Simulation werden weniger Änderungen
notwendig und die Entwicklungszeiten verkürzen sich dadurch drastisch.
Aufwendige Versuche
Ein wichtiger Aspekt, der zur
­Verkürzung der Entwicklungszeit
beiträgt, ist, dass problematische
Bereiche nicht mühsam in mehre­
ren Versuchen ermittelt werden
müssen. Im realen Versuch tritt
beispielsweise bei einer bestimm­
ten statischen Belastung oder
nach einer bestimmten Anzahl
von Lastzyklen ein Versagen
eines Bauteils auf. Damit ist in
der Regel der Versuch zu Ende
und die maximale ertragbare
Last ermittelt. Man sieht, welcher
Bereich das Versagen verursacht Ertragbare Belastung an vier verschiedenen
hat (z. B. Anriss an einer Kerbe; ­Messpunkten
Messpunkt 3), und kann entspre­
chende Konstruktions­änderungen vornehmen. In einem nächsten Versuch wird dann die
maximal ertragbare Last der verbesserten Struktur ermittelt. Leider kann es jetzt gesche­
hen, dass die neue, verbesserte Variante nur knapp bessere Werte ergibt, da das Span­
nungsniveau in anderen Bereichen der Struktur (hier Messpunkt 1) ähnlich hoch ist, im
ersten Versuch jedoch nicht erkannt werden konnte. Der große Vorteil des Versuchs ist,
dass er für klare Versuchsbedingungen genaue Werte ergibt, ein Gesamtüberblick über
das Bauteilverhalten gerade hinsichtlich Festigkeit ist jedoch schwer zu erreichen. Selbst
bei Verwendung von Dehnmessstreifen muss die Lage der DMS im Vorfeld schon richtig
eingeschätzt werden, weil man auch mit falscher oder fehlender Positionierung eines
Messpunktes kritische Bereiche nicht erkennt.
Weniger Durchläufe
Im Vergleich hierzu liefert die Berechnung nach der Finite-Elemente-Methode einen bes­
seren Gesamtüberblick. Innerhalb der zu untersuchenden Baugruppe werden überall die
Spannungen ermittelt und dargestellt, sodass in einem einzigen Durchlauf nicht nur ein
einziges lokales Spannungsmaximum erkannt und bearbeitet werden kann, sondern auch
alle weiteren Bereiche, deren Spannungsniveau sich in kritischen Regionen befindet.
Ausgelagerte Fertigung
Bei der Breyton Design GmbH entwickelt ein kleines Team von wenigen Ingenieuren
Leichtmetallräder und Fahrwerkskomponenten für die Automobilindustrie. Gefertigt
wird in Osteuropa, Test und Abnahme finden in Deutschland statt. Vor der Einführung der
FEM-Simulation musste jede Design-Verifikation an realen Prototypen mit einem Biege­
umlaufversuch durchgeführt werden. Die Zeit zur Beschaffung von Guss-Prototypen war
und ist zeitaufwendig; mehrere Wochen sind hier nicht unüblich. Auch die Durchführung
der Versuche braucht einige Zeit: Um die Streuung der im Versuch ermittelten Lebens­
dauer auszumerzen, werden mehrere Tests an gleichen Bauteilen durchgeführt. Insge­
samt führte der hohe Aufwand bei der Beschaffung der Prototypen und im Versuch dazu,
dass die Entwickler mit dieser traditionellen Methode erst sehr spät im Entwicklungspro­
zess auf eine zu geringe Lebensdauer aufmerksam wurden.
1.2 Kosten einsparen 3
Mit der Einführung von ANSYS Workbench wird heute ein „virtueller Biegeumlaufver­
such“ direkt am 3D-CAD-Modell durchgeführt. Kritische Belastungen werden so rechtzei­
tig erkannt. Über eine Design-Studie mit zwei bis drei konstruktiven Änderungen kann
innerhalb eines halben Tages ein verbessertes, validiertes Design ermittelt werden.
Virtueller Versuch
■■1.2 Kosten einsparen
Die Kosten eines Produktes werden vielfach auch durch das Material mitbestimmt. Die
Stahlpreise haben sich seit 2000 mehr als verdoppelt, der zunehmende Ressourcenbedarf
wird langfristig ein sinkendes Preisniveau für Rohstoffe verhindern. Die FEM-Berechnung
erlaubt es, Bauteile hinsichtlich Festigkeit zu überprüfen. Überdimensionierungen gehö­
ren damit der Vergangenheit an. Überflüssiges Material kann eingespart und das Gewicht
minimiert werden.
Materialkosten
Beispiel AGCO FENDT:
Durch Optimierung des
mittragenden Antriebsstrangs bei Traktoren
kann Material eingespart
werden.
4 1 Vorteile der simulations­getriebenen Produktentwicklung
Fertigungskosten
­senken
Gerade bei schnell bewegten Strukturen wie z. B. Bestückungsautomaten oder Robotern
kann dadurch der Antrieb verkleinert werden, was zusätzliche Kostenreduzierungen
nach sich zieht. Geringeres Gewicht erfordert geringe Antriebsleistung, sodass auch der
Energieverbrauch reduziert wird. Als mögliche Alternative können kostengünstigere
oder leichtere Werkstoffe (Kunststoffe, Leichtmetalle) in einer Simulation sehr schnell auf
ihre Tauglichkeit getestet werden.
Die in ANSYS Workbench enthaltene Materialdatenbank ist mit einem Grundstock von
Materialien verschiedener Gruppen (Metalle, Keramik etc.) ausgestattet, kann aber ein­
fach um die unternehmensspezifisch bevorzugten Materialien erweitert werden. Vom
Anbieter, der CADFEM GmbH, wird eine kostenfreie Materialdatenbank mitgeliefert, die
ca. 250 vorwiegend metallische Werkstoffe enthält.
Fertigungskosten
­senken
Neben dem Materialeinsatz selbst spielt auch die Verarbeitung eine wichtige Rolle. Große
Schweißstrukturen, bei denen Wandstärken reduziert werden können, helfen nicht nur,
Gewicht einzusparen, sondern minimieren auch die Größe der Schweißnähte und damit
Fertigungskosten.
■■1.3 Produktinnovationen fördern
Innovation und
­Kreativität
Durch den zunehmenden Wettbewerb muss die traditionelle Entwicklung, die auch von
den (internationalen) Mitbewerbern zunehmend beherrscht wird, in den Bereichen Inno­
vation und Kreativität gestärkt werden. Nur durch eine höhere Produktivität kann ein
höheres Kostenniveau ausgeglichen werden. Moderne Entwicklungswerkzeuge wie CAD
und Simulation ermöglichen es durch ihre Schnelligkeit, auch einmal unkonventionelle
Wege auszuprobieren. So konnte durch Berechnungen nachgewiesen werden, dass der
bei elektronischen Baukörpern traditionell aufgeklebte oder verschraubte Kühlkörper
durch einen Kühlkörper mit Clip ersetzt werden kann. Neben reduziertem Material- und
Montageaufwand wurde auch eine einfachere Herstellung in Blech möglich.
Von der Prinzipstudie
zum Produkt
In einem anderen Anwendungsfall sollte bei VDO
ein neuer Sensor zur Ermittlung von Torsion entwi­
ckelt werden. Die Besonderheit: Andere Lasten als
Torsion sollten das Messergebnis nicht beeinflus­
sen. Außerdem sollte die Bauform klein sein, um
unter beengten Platzverhältnissen zum Einsatz
kommen zu können. In einer Prinzipstudie wurden
verschiedene Strukturen untersucht, bei denen
Torsionsbelastungen zu eindeutigen DMS-Messer­
gebnissen führen. Mit der hier gezeigten Variante
wurde diese Bedingung erreicht, allerdings war die
Bauform noch zu groß. Die Geometrie wurde dann verändert, das Wirkprinzip aber beibe­
halten, sodass auch die zweite Bedingung – kleine Bauform – erreicht werden konnte.
1.3 Produktinnovationen fördern 5
Eine weitere Möglichkeit, neue, innovative Designs zu finden, ist
die Topologie-Optimierung. Dabei wird ein Designraum definiert,
von dem Material an den Stellen entfernt wird, an denen die Stei­
figkeit am wenigsten beeinflusst wird. Bei Gussbauteilen wird
diese Methode in der Automobilindustrie als Standardverfahren
bereits seit einigen Jahren eingesetzt. Aber auch im Werkzeug­
maschinenbau werden zunehmend komplexe Maschinenbetten
auf dieser Methode basierend entwickelt. Für den Rahmen einer
C-Presse, der ursprünglich mit einer geschlossenen Rückwand ent­
worfen wurde, wäre nach der traditionellen Methode – Bauch­
gefühl und Erfahrung – eine verbesserte Formgebung durch eine
außen umlaufende Materialanordnung umgesetzt worden.
Topologie-Optimierung
zur Formfindung
Setzt man die Topologie-Optimierung ein, kann man bei gegebener
Belastung für diese Rückwand eine Materialreduktion (hier 30 %)
festlegen. Über mehrere Berechnungsschritte ermittelt ANSYS
Workbench diejenige Form, die mit dem verbleibenden Restmate­
rial die beste Steifigkeit besitzt.
Diese auf den ersten Blick etwas ungewöhnliche Struktur erklärt
sich dadurch, dass im mittleren Bereich der Rückwand die Bie­
gung durch das Aufweiten der C-Presse am größten ist, während
am oberen Ende ein Zugstab die seitliche Deformation des Rah­
mens verhindern hilft, wie man am Rahmen ohne Rückwand gut
erkennen kann.
Ungewöhnliche Struktur
Solche Topologie-Optimierungen machen vor allem dann Sinn,
wenn die Struktur der zu entwickelnden Bauteile belastungsge­
recht konstruiert werden kann. Das ist beispielsweise bei Guss­
bauteilen der Fall, weil dort die Formgebung durch das Fertigungs­
verfahren vergleichsweise frei ist. Die Topologie-Optimierung wird
beispielsweise beim Werkzeugmaschinenhersteller Heller in Nür­
tingen mit Erfolg dabei eingesetzt, hochkomplexe Maschinenbet­
ten zu entwickeln.
Geeignete
­Anwendungsgebiete
6 1 Vorteile der simulations­getriebenen Produktentwicklung
■■1.4 Produktverständnis vertiefen
Einfache Handhabung
Wichtig für die entwicklungsbegleitende FEM-Berechnung ist den Anwendern – gerade
bei sporadischer Nutzung – eine einfache und effektive Handhabung. Gut gestaltete Sys­
teme wie ANSYS Workbench haben einen logischen Aufbau, der den Anwender Schritt
für Schritt über die Modelldefinition begleitet. Das Modell wird durch einen Struktur­
baum definiert, der über Symbole zeigt, ob die Modelldefinition komplett und fehlerfrei
ist. Das FEM-System wird dadurch intuitiv bedienbar und kann nach kurzem Training
sicher angewandt werden. Statt Berechnungsaufträge nach außen zu vergeben, kann der
Entwicklungsingenieur mit solchen Werkzeugen heute seine Konzepte selbst unter die
Lupe nehmen. Die Abstimmung mit Berechnungsdienstleistern entfällt, und mit den
Erkenntnissen aus der Simulation erhält der berechnende Entwickler ein besseres Gespür
für das Verhalten seiner Strukturen. Bei ähnlichen Aufgabenstellungen werden so von
vornherein die effektiven Lösungsansätze bevorzugt, sodass der Einsatz der Simulation
auch einen indirekten Wert – die Erfahrung des Anwenders – steigert.
Vorteile
Gegenüber der traditionellen Vorgehensweise, Bauteile nach Erfahrungswerten, Berech­
nungshandbüchern oder Berechnungen von Hand auszulegen, hat die Simulation basie­
rend auf FEM den Vorteil, dass sie vom Anwender schneller durchzuführen ist, dass die
Genauigkeit höher ist und dass der Anwender ein besseres Verständnis für das Verhalten
seiner Bauteile bekommt. Setzt der Entwickler die Simulation bereits sehr früh im Ent­
wicklungsprozess ein, kann er mögliche Schwachstellen auch sehr früh erkennen und
durch konstruktive Maßnahmen verhindern. Der frühzeitige Einsatz von FEM bereits in
der Produktentwicklung hilft also, Prototypen einzusparen, Fehler zu vermeiden und
damit die Faktoren Zeit und Kosten als Wettbewerbsvorteil für sich zu nutzen.
2
Voraussetzungen
Damit die Simulation schnelle und gute Ergebnisse bringt, sollten einige Rahmenbedin­
gungen erfüllt sein. Das beinhaltet menschliche, technische und organisatorische Kompo­
nenten.
■■2.1 Grundlagenkenntnisse
Als wichtigste notwendige Voraussetzung ist eine gute Ingenieurausbildung der Anwen­
der zu nennen. Die Grundlagen der technischen Mechanik wurden im Studium erarbeitet,
das heißt, die Begriffe Vergleichsspannung, Kerbfaktor, Fließgrenze, Eigenfrequenz soll­
ten bekannt sein. Diese Grundlagen werden in einem Einführungstraining in die FEMSoftware meist wieder kurz aufgefrischt, das Verständnis für die Größen und Begriffe
sollte allerdings latent vorhanden sein. Fehlen die entsprechenden Grundlagen, besteht
die Gefahr, dass Berechnungsergebnisse kritiklos verwendet werden und somit keine
Sicherheit bei den Aussagen erreicht werden kann. Neben der Ausbildung, ist der zweite,
mindestens ebenso wichtige Faktor die persönliche Motivation des Anwenders. Sieht er
die Einführung der FEM-Simulation lediglich als zusätzliche Arbeitsbelastung, wird er sie,
so zeigt die Erfahrung, nicht oder nicht effektiv einsetzen, um diese zusätzliche Tätigkeit
möglichst bald einstellen zu können. Jedoch werden jene Ingenieure, welche die FEMBerechnung als Chance begreifen, den eigenen Entwurf besser zu verstehen und die Pro­
dukteigenschaften von vornherein zu optimieren, die Entwicklung insgesamt nach vorne
treiben. Bei der Einführung eines FEM-Paketes ist es deshalb entscheidend, gut ausgebil­
dete und motivierte Pilotanwender einzubinden.
Ausbildung
8 2 Voraussetzungen
■■2.2 Organisatorische Unterstützung
Organisatorische
­Unterstützung
Damit die Motivation erhalten bleibt und der Nutzen möglichst bald zu erreichen ist, kann
das Management diesen Prozess unterstützen, indem es geeignete Rahmenbedingungen
schafft. Dazu gehören die geeignete Software, ein Anbieter mit einem Schulungsprogramm,
das nicht nur Software-Schulungen, sondern auch Technologie-Schulungen („Schrauben,
Schweißnähte, Pressverbindungen“ . . .) enthält, aber auch organisatorische Unterstüt­
zung. Die simulationsgetriebene Produktentwicklung erfordert eine gewisse Investition
von Zeit (für die Simulation), um im Verlauf der Produktentstehung Zeit für Prototypen
und Versuche einzusparen. Gerade in der Anfangsphase ist daher ein Zeitpuffer hilfreich,
um dem Anwender die Chance zu geben, sich mit der neuen Thematik auseinanderzuset­
zen. Es ist entscheidend, dass die Projektverantwortlichen den Gesamtprozess betrachten,
vom Entwurf bis zum funktionsfähigen Produkt, da die Vorteile nicht unmittelbar wäh­
rend der Konstruktion realisierbar sind, sondern sich erst im Laufe der Produktentwick­
lung, z. B. im Versuch oder im Einsatz, zeigen.
■■2.3 Geeignete Soft- und Hardware-Umgebung
Weitere Voraussetzungen sind eine geeignete Soft- und Hardware-Umgebung. 3D-Modelle
sind sozusagen die Eintrittskarte in die FEM-Simulation. Die gängigen Systeme sind Inven­
tor, Creo Parametric, SolidWorks, SolidEdge, Unigraphics, CATIA und Creo Elements/
Direct Modeling. Daneben gibt es eine Reihe weiterer Systeme wie HiCAD, Caddy oder
Microstation. Allen diesen CAD-Systemen ist gemeinsam, dass Sie damit (unfacettierte)
Volumenmodelle erstellen können.
3D-CAD
Die Datenübertragung solcher 3D-CAD-Modelle fand früher meist auf Basis einer soge­
nannten IGES-Datei statt. Das IGES-Format ist eine neutrale Schnittstelle, die es erlaubt,
Oberflächen zu übertragen. Eine Zusammenfassung dieser Oberflächen zu Körpern wurde
zwar vom Standard vorgesehen, aber von den wenigsten CAD-Anbietern implementiert.
Daher war und ist die Übertragung von Volumengeometrie über IGES fehleranfällig und
oft mit langer manueller Bereinigung der importierten Geometrie verbunden. Weitere
flächenbasierte Austauschformate sind VDA-IS oder VDA-FS, die mit ähnlichen Proble­
men zu kämpfen haben.
Datenübertragung
Daher wurde in den 80er-Jahren ein neuer Standard namens STEP entwickelt, der 1994/95
schließlich in eine ISO-Norm 10303 mündete. Basierend auf STEP lassen sich Produkt­
daten zwischen verschiedenen Systemen austauschen, wozu eben auch 3D-Modelle gehö­
ren. Die beiden Anwendungsprotokolle 203 und 214 beschreiben das Format für die Über­
tragung von 3D-Volumengeometrie. Basierend auf STEP ist heute eine relativ zuverlässige
Übertragung von 3D-Volumen möglich, auch wenn in einigen Einzelfällen immer noch
Übertragungsfehler vorkommen. Bei der Übertragung über STEP wird die Modellhistorie
2.3 Geeignete Soft- und Hardware-Umgebung 9
nicht mit übertragen. Ein mit STEP importiertes Modell hat also die Geometrie, aber keine
Konstruktionselemente mehr, die diese Geometrie erzeugen. Sind Änderungen nötig,
muss über neu zu erzeugende Bearbeitungsschritte am 3D-Modell Geometrie modifiziert
werden, es lassen sich keine bei der erstmaligen Geometrieerzeugung verwendeten Fea­
tures modifizieren, weil diese Historie des Modells bei der Übertragung abgeschnitten
wird.
Beim Datenaustausch zwischen verschiedenen Unternehmen wird dieser Verlust manch­
mal bewusst eingesetzt, um Konstruktions-Know-how, das in den Konstruktionselemen­
ten enthalten ist, nicht nach außen zu geben. Für die Geometrieübertragung eines Inge­
nieurs, der FEM-Berechnungen durchführen will, bedeutet eine Geometrieübertragung
basierend auf STEP, dass er zwar die Geometrie selbst für eine erste Berechnung mit
hoher Wahrscheinlichkeit brauchbar übertragen kann, dass bei Geometrieänderungen
aber alle auf der Geometrie basierenden Definitionen im FEM-Modell neu zugeordnet wer­
den müssen. Für eine schnelle Untersuchung von geometrischen Varianten ist dies sehr
störend.
Weitere Standardformate, die ähnlich STEP eine zuverlässige Geometrieübertragung rea­
lisieren, sind Parasolid (Datei-Extension *.x_t bzw. *.x_b) und ACIS (Datei-Extension
*.SAT). Parasolid und ACIS sind sogenannte Modellierkerne, die in verschiedenen CADSystemen die Beschreibung des 3D-Modells übernehmen, während das CAD-System
selbst die Interaktion des Anwenders mit dem 3D-Kern übernimmt. Parasolid-basierende
CAD-Systeme sind z. B. SolidWorks, SolidEdge oder Unigraphics; ACIS-basierende Systeme
sind Inventor oder MegaCAD.
CAD-Kerne
Aufgrund der Beschränkungen der neutralen Formate wie IGES, STEP, Parasolid oder
ACIS setzt ANSYS auf eine direkte Anbindung des FEM-Berechnungsmodells an die CADGeometrie. Die aktive Geometrie des CAD-Modells – das kann sowohl eine Baugruppe als
auch ein Einzelteil sein – wird direkt an ANSYS übergeben. Der Vorteil: Die Geometrie­
übertragung verläuft einfach, schnell und zuverlässig. Ein weiterer entscheidender ­Vorteil
ist die Assoziativität des in ANSYS vorliegenden Geometriemodells mit dem CAD-Modell.
Wenn Änderungen am CAD-Modell vorgenommen werden, können diese Änderungen
vom CAD-System nach ANSYS übertragen werden. Alle geometriebasierenden Definitio­
nen in ANSYS, wie beispielsweise das Aufbringen von Lasten oder Lagerungen, werden
automatisch auf die neue Geometrie adaptiert. Während der Anwender bei Verwendung
neutraler Schnittstellen solche Geometriezuordnungen neu vornehmen muss, wird bei
der Direktschnittstelle von ANSYS Workbench zum CAD-System diese Zuordnung auto­
matisch aktualisiert, sodass die Berechnung einer Variante in einem Bruchteil der Zeit zu
machen ist.
Das Betriebssystem der verwendeten Arbeitplatzrechner ist heute in der Regel Windows
in der 64-Bit-Ausführung. Einige CAD-Systeme sind sogar ausschließlich unter Windows
verfügbar (SolidWorks, SolidEdge, Inventor). Neben dem Betriebssystem sollte auch die
Hardware angepasst sein. Selbst die größte Motivation lässt irgendwann nach, wenn aus
falsch verstandener Sparsamkeit ungeeignete Rechner verwendet werden müssen, die
den Anwender ausbremsen, während für geeignete Rechner heute geringe Kosten anfal­
len. Eine typische Konfiguration beinhaltet heute 8 Kerne und 32 GB RAM, während
ambitionierte Anwendungen bereits auf Workstations mit 16 Kernen und 512 GB RAM,
Betriebssystem
10 2 Voraussetzungen
schnellen SSDs und mehreren Grafikkarten zur beschleunigten Gleichungslösung gut
bedient werden können. Darüber hinaus ermöglichen Cluster-Systeme eine skalierbare
Performance, um sowohl extrem detailreiche und damit auch genaue Simulationen auszu­
führen, als auch rechenintensive Simulationen zu beschleunigen, sowie den Durchsatz für
eine Vielzahl von Variationen einer Simulation (Sensitivitätsstudien, Optimierung) durch
simultane Berechnungen wirtschaftlich zu realisieren.
Zur Drucklegung dieses Buches (Anfang 2014) kristallisierte sich darüber hinaus der
Trend zu Cloud-Lösungen heraus, die den flexiblen Zugriff auf in Rechenzentren ausgela­
gerte Workstations und Compute-Server realisieren. Aufgrund der großen Datenmengen
werden die Simulationen komplett „in der Cloud“ durchgeführt und visualisiert, lediglich
die Ergebnisinformationen (Grafiken, Animationen, Berichte) werden zum Anwender
transferiert. Durch die Spezialisierung von Cloud-Anbietern auf die Belange der Simula­
tion (3D-Grafik, hohe Datenmenge, Interaktion von mehreren Prozessen) ist eine hohe
Performance sichergestellt. Flexible Mietmodelle für einen einzelnen Rechner ab einem
Tag Nutzungszeit bis hin zur dauerhaften Hardware-Nutzung für ganze Simulationsteams
sichern Simulationsanwendern mit verschiedensten Anforderungen eine schnelle Reak­
tionsfähigkeit und den bedarfsgerechten Zugriff auf die optimale Hardware für jede anfal­
lende Aufgabe.
3
Grundlagen der FEM
Wenn ein Bauteil berechnet werden soll, hat man grundsätzlich die Möglichkeit, in der
Literatur nach entsprechenden geschlossenen Lösungen zu suchen, um über eine Glei­
chung das physikalische Verhalten eines Bauteils zu beschreiben. So lässt sich z. B. für
einen Biegebalken die Gleichung
Geschlossene Lösung
u = F × l3/3EI
finden, mit der die Durchbiegung berechnet werden kann.
Bei komplexeren Geometrien – und dazu gehört schon eine vergleichsweise einfach auf­
gebaute Geometrie wie der abgebildete Flansch – stößt diese Vorgehensweise schnell an
ihre Grenzen, weil es keine geschlossenen Lösungen mehr gibt.
■■3.1 Grundidee
Die Grundidee ist daher, diese komplexe Geometrie in einzelne Teilbereiche (die soge­
nannten Elemente) zu zerlegen. Jeder Teilbereich ist einfach beschreibbar (z. B. hinsicht­
lich seines Verformungsverhaltens). Die Einzellösungen der einzelnen Bereiche (Elemente)
werden aufsummiert, um die Lösung für das Gesamtsystem zu erhalten. Nachdem die
Anzahl der Teillösungen endlich ist, leitet sich aus dieser Grundidee der Name Finite-
Grundidee der FEM
12 3 Grundlagen der FEM
Elemente-Methode (FE-Methode oder FEM) ab. Die Ver­
bindung der einzelnen Elemente besteht an den soge­
nannten Knoten, d. h. Punkten an den Ecken, manchmal
auch auf den Verbindungslinien dazwischen.
Die Grundgleichung der Statik lautet:
K × u = F (F: Kraft; K: Steifigkeit; u: Verschiebung)
Verformung berechnen
Diese Grundgleichung kennt jeder Ingenieur als Feder­
gleichung. Man kann sich also vorstellen, dass jedes ein­
zelne Element mit solchen Federgleichungen beschrieben
wird. Für jeden Knoten ergeben sich dabei drei Unbe­
kannte, die Verschiebungen in die drei Koordinatenrich­
tungen. Dadurch ergibt sich ein Gleichungssystem.
.
.

.

.
.
. . . u y1  .
 
. . . φz1  .
  
. . . ⋅  .  = .
   
. . . u y i
.
  
. . . φz i  .
[K ]⋅ {u} = {F }
Spannungen ableiten
Dieses kann durch iterative oder direkte Gleichungslöser gelöst werden, sodass die Ver­
schiebungen für jeden Knoten vorliegen. Anschließend wird durch ein Materialgesetz, im
einfachsten Fall durch ein lineares Materialgesetz nach Hook σ = ε × E, die Spannung aus
den Verschiebungen abgeleitet. Dieses Ableiten der Spannungen aus den Verschiebungen
ist von großer Bedeutung, wie an einem einfachen Prinzipmodell gezeigt werden soll.
Ein Biegebalken sei links fest eingespannt und rechts mit einer Kraft nach unten belastet.
Dabei ergeben sich Biegespannungen, die von rechts nach links linear ansteigen, weil das
Widerstandsmoment konstant ist und das Biegemoment mit dem Hebelarm linear ansteigt.
3.1 Grundidee 13
Verwendet man einen einfachen Finite-Elemente-Ansatz, könnte man diesen Biegebalken
in vier Elemente aufteilen (man spricht dann auch von „vernetzen“).
Theoretische Lösung
Innerhalb eines Elementes könnten die Verschiebungen über eine lineare Gleichung
beschrieben werden:
u(x) = ax + b
Zur Berechnung der Spannungen innerhalb eines Elementes wird das Hooke’sche Gesetz
σ = ε × E verwendet, wobei mit ε = Δl/l die Dehnung aus den Verschiebungen abgeleitet
wird. Für eine lineare Funktion u(x) = ax + b für die Verschiebungen ergibt sich mit der
Ableitung dann ein konstanter Wert für die Spannung innerhalb eines Elements.
Einfacher FEM-Ansatz
Demzufolge wird der Spannungsverlauf mit konstanten Werten für die Biegespannung
abgebildet. Von der Einspannstelle links bis zum freien Ende ergibt sich damit ein Span­
nungsverlauf wie in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.
Der über die Länge des Biegebalkens eigentlich lineare Spannungsverlauf wird mit den
hier verwendeten vier Elementen nur sehr grob abgebildet. Mit halbierter Elementgröße
wäre der Verlauf schon etwas besser zu erkennen (siehe nachfolgende Abbildung).
Näherungsansatz
14 3 Grundlagen der FEM
Betrachtet man den Maximalwert an der Einspannstelle links, sieht man, dass mit der
groben Einteilung der Spannungswert unterhalb des korrekten Wertes liegt. Mit feinerer
Einteilung wird diese Abweichung geringer. Mit zu geringer Netzdichte ist der Spannungs­
wert zu niedrig und steigt mit feinerer Netzdichte an. Diese Aussage ist deshalb von hoher
praktischer Bedeutung, weil mit einer unpassenden Vernetzung zu niedrige (optimisti­
sche) Spannungen berechnet werden. Das kann bedeuten, dass aufgrund einer zu groben
Vernetzung kritische Spannungen nicht als solche erkannt werden.
Bei einem gekerbten Flachstab ist dieser Effekt sehr deutlich erkennbar.
Der Spannungsverlauf weist zu den Kerben hin
einen sehr starken Gradienten auf. Verwendet
man über den Querschnitt nur drei Elemente mit
linearer Funktion für die Verschiebung, sind die
Spannungen innerhalb eines Elementes konstant,
wodurch sich ein ungenauer Maximalwert und
Verlauf der Spannungen ergibt (rot, Grad 1).
3.1 Grundidee 15
Referenz
3 Elemente
Grad 2
3 Elemente
Grad 1
Verwendet man stattdessen Elemente mit parabolischer Funktion für die Verschiebungen
(blau, Grad 2), können lineare Spannungsverteilungen innerhalb eines Elementes abgebil­
det werden, sodass der Verlauf, aber auch der Maximalwert der Spannungen deutlich
besser berechnet werden können.
In der praktischen Anwendung der FEM mit ANSYS Workbench werden keine Volumen­
elemente mit linearer Funktion für die Verschiebungen – man nennt diese auch Ansatz­
funktion – eingesetzt, weil damit erst bei sehr starker Netzverfeinerung eine gute Genauig­
keit erreichbar wäre. Stattdessen werden in der Regel Elemente mit parabolischer
Ansatzfunktion verwendet. Für eine lineare Spannungsverteilung (z. B. über die Wand­
stärke eines Gehäuses unter globaler Biegung, Zug oder Druck) reicht ein einzelnes Ele­
ment aus, den Spannungsverlauf hinreichend gut zu beschreiben. Bei lokalen Spannungs­
konzentrationen wie z. B. Kerben sind lokale Netzverdichtungen erforderlich, wenn auch
nicht in dem Maße wie mit linearer Ansatzfunktion.
Referenz
R
5 Elemente
Grad 2
3 Elemente
Grad 2
16 3 Grundlagen der FEM
Spannungen erfordern
gute Netze
Betrachtet man den Maximalspannungswert, stellt man fest, dass an dem Beispiel des
gekerbten Flachstabes mit nur drei linearen Elementen der Spannungswert im Maximal­
punkt mit einer Abweichung von 50 % zur Referenz berechnet wird (rote Kurve, letzte
Seite). Drei Elemente mit parabolischer Ansatzfunktion ergeben eine Abweichung von
20 % (blaue Kurve), fünf Elemente eine Abweichung von 10 % (magentafarbene Kurve). Die
Abweichung wird immer kleiner, je besser die Vernetzung wird. Daher spricht man bei
der FEM auch von einem Näherungsverfahren und einer Konvergenz des Ergebnisses in
Bezug auf die Vernetzung (nicht zu verwechseln mit der Konvergenz, d. h. dem Gleich­
gewicht bei nichtlinearen Analysen).
■■3.2 Was heißt Konvergenz?
Abhängigkeit von
der Vernetzung
Wie gezeigt wurde, ist die FEM ein Näherungsverfahren, bei dem ein Kontinuum über
einzelne Teilbereiche, die Elemente, abgebildet wird. Innerhalb eines Elementes wird
dabei eine bestimmte Ergebnisgröße (Verformung oder Temperatur) mit einer Funktion
abgebildet (in ANSYS Workbench bei Volumenmodellen typischerweise mit einer Funk­
tion vom Grad 2). Bei einem Gradienten im Ergebnis (z. B. Spannungskonzentration) ist die
hinreichend genaue Abbildung einer abgeleiteten Ergebnisgröße wie z. B. einer Spannung
nur möglich, wenn der jeweilige Teilbereich klein genug ist. An den Stellen hoher Gradi­
enten sind demnach lokale Netzverdichtungen durchzuführen. Wird die Netzdichte also
lokal angepasst, steigt die Berechnungsgenauigkeit an, und das Ergebnis nähert sich
asymptotisch dem physikalisch richtigen Ergebnis.
Zeichnet man sich z. B. die Spannung in Abhängigkeit von der Netzdichte auf, ergibt sich
im Prinzip das in der folgenden Abbildung dargestellte Bild.
AIterative Lösung
Man sieht also, dass mit zunehmender Netzdichte das Ergebnis immer näher an einen
Grenzwert herankommt. Man spricht bei einer solchen Annäherung an ein Ergebnis von
Konvergenz. In ANSYS Workbench kann diese Konvergenz durch mehrere aufeinander­
folgende Analysen mit zunehmender Netzdichte überprüft oder als Eigenschaft eines
Berechnungsergebnisses definiert werden. Wählt man z. B. für ein Ergebnis eine Konver­
genz von 10 %, heißt dies, dass automatisch mehrere aufeinanderfolgende Berechnungs­
3.3 Was heißt Divergenz? 17
schritte durchgeführt werden, die wiederholt lokale Netzverdichtungen durchführen, bis
sich das Ergebnis von Analyse zu Analyse um weniger als diese 10 % unterscheidet. Das
bedeutet jedoch nicht, dass die Absolutgenauigkeit (d. h. der Abstand der Ergebniskurve
zur Asymptote) 10 % beträgt.
■■3.3 Was heißt Divergenz?
Stellt man sich ein Bauteil vor, das eine theoretisch unendlich scharfe Kerbe enthält, so
ist dort die Spannung unendlich hoch. In der Realität tritt dies jedoch so nicht auf, da:
a) jede Kerbe eine Ausrundung enthält, sei sie auch noch so klein, und
b) das Material sehr lokal plastifiziert und dadurch die Spannungen abbaut.
Da beide Effekte in vielen Berechnungen nicht berücksichtigt werden, wird mit zuneh­
mender Netzdichte an dieser scharfkantigen Kerbe der unendlich hohe Spannungswert
immer genauer, d. h. immer höher, berechnet. Das äußert sich darin, dass mit zunehmen­
der Netzdichte der Spannungswert immer weiter ansteigt. Man spricht dann auch von
Divergenz.
In solchen Fällen macht also eine globale Genauigkeitsbetrachtung keinen Sinn. Diese
singulären Stellen können nicht sinnvoll ausgewertet werden. Es sollte daher eine Fokus­
sierung der Ergebnisse auf sinnvolle Bereiche erfolgen (siehe auch Abschnitt 8.8.2.1),
sodass die Prüfung der Ergebnisgüte nicht auf dem Gesamtmodell, sondern nur auf sinn­
voll auswertbaren Teilgebieten erfolgt. Bei singulären Spannungen in scharfen Kerben
kann auch eine Verrundung erzeugt werden, um wieder eine sinnvolle Auswertung vor­
nehmen zu können.
Neben scharfen Kerben mit Kerbradius 0, treten Singularitäten auch an Lagerbedingun­
gen auf: Bei einer Lagerung werden oft eine oder mehrere Bewegungsrichtungen gesperrt.
Damit entsteht dort eine Lagerung mit unendlich hoher Steifigkeit, die an der Grenzfläche
zu unendlich großen Steifigkeitssprüngen und damit unendlich hohen Spannungen führt.
Diese Bereiche sollten also ebenfalls aus einer Konvergenzbetrachtung ausgeschlossen
werden.
Scharfe Kerben
18 3 Grundlagen der FEM
■■3.4 Genauigkeit
Vernetzung ist nicht
der einzige Faktor
Durch die in ANSYS Workbench verwendete Technologie der Finite-Elemente-Berechnung
ist eine absolute Genauigkeitsangabe nicht möglich. Die Finite-Elemente-Methode ist ein
Näherungsverfahren, das mit oben beschriebenen Verfahren aber eine gute Übereinstim­
mung mit der Praxis zeigt. Die automatische Genauigkeitssteuerung betrifft nur die Dis­
kretisierung der Geometrie (Dichte des FE-Netzes). Unsicherheiten bei der Definition der
Randbedingungen oder des Materials spielen in der Praxis meist eine deutlich größere
Rolle.
Neben der Vernetzungsgüte sollte bei jeder Berechnung die Realitätstreue der Simulation
überprüft werden. Wenn Sie mit ANSYS Workbench arbeiten, prüfen Sie bitte folgende
Punkte:
ƒƒ Wie gut trifft mein Berechnungsmodell das physikalische Problem?
ƒƒ Ist das Einheitensystem korrekt gewählt?
ƒƒ Ist das Materialverhalten ausreichend genau beschrieben? Tritt evtl. nichtlineares, tem­
peraturabhängiges, orthotropes oder inhomogenes Material auf? Ist dies der Fall, sollte
das Ergebnis vorsichtig interpretiert werden, wenn das verwendete Materialmodell
diese Eigenschaften nicht abbilden kann. Weitergehende Berechnungen können solche
spezifischen Effekte mit berücksichtigen.
ƒƒ Tritt bei gefertigten Bauteilen eine gewisse Streuung im Ergebnis auf? In solchen Fällen
empfiehlt es sich, eine Robustheitsbewertung und -optimierung durchzuführen.
ƒƒ Sind die Randbedingungen korrekt definiert? Sind die Kraftgröße und Richtung kor­
rekt?
ƒƒ Enthalten die Randbedingungen Singularitäten wie beispielsweise eine Einzelkraft, die
auf einem Punkt wirkt (die unendlich kleine Fläche bewirkt eine unendlich große Span­
nung). Eine ähnliche Situation tritt auf bei „scharfen“ Ecken, die – wie singuläre Kräfte –
zu unrealistisch hohen Spannungen in der Berechnung führen. Entweder müssen diese
Bereiche genauer modelliert werden (Kraft auf Fläche statt auf Punkt oder kleiner Aus­
rundungsradius statt der scharfen Ecke), oder bei der Ergebnisauswertung werden sol­
che Bereiche ignoriert.
ƒƒ Ist ein Bauteil sehr nachgiebig (elastisch) gelagert? In solchen Fällen ist eine fixierte
Lagerung im Berechnungsmodell eine zu starke Vereinfachung. Die Elastizität kann in
einer Baugruppenanalyse genauer beschrieben werden.
ƒƒ Ist die maximale Belastung richtig erfasst? Ein Bauteil wird unter Umständen nicht
während des Einsatzes, sondern vielleicht während der Fertigung oder des Transports
maximaler Belastung unterworfen.
ƒƒ Sind in der Berechnung alle wesentlichen Einflüsse erfasst? Sollten einzelne Randbedin­
gungen unklar spezifiziert sein, können vergleichende Untersuchungen mit einem obe­
ren und unteren Grenzwert den Einfluss der Unschärfe auf das Ergebnis aufzeigen.
ƒƒ Ist die Antwort plausibel? Untersuchen Sie das Bauteilverhalten, bis Sie es verstanden
haben. Akzeptieren Sie keine unlogischen Ergebnisse.
3.4 Genauigkeit 19
Besondere Bedeutung kommt der Berechnungsgenauigkeit zu, wenn die errechneten
Spannungswerte für eine Lebensdauerberechnung verwendet werden sollen. Die Lebens­
dauer erfordert extrem genaue Ergebnisse, da sie logarithmischer Natur ist. So kann z. B.
bei einer Abweichung der Spannungen um 30 % die Lebensdauer auf 1/6 herabgesetzt
werden. Es ist daher empfehlenswert, im Zweifel die Berechnungsgüte einer Analyse von
einem Spezialisten prüfen zu lassen, um sicherzugehen, dass alle Einflussgrößen (hier
insbesondere die Randbedingungen) korrekt abgebildet sind.
Was ist das Ziel?
Die Sensitivität von Berechnungsergebnissen hängt u. a. vom Analysetyp ab. So sind
Eigenfrequenzen meist ohne größeren Aufwand von hoher Ergebnisgüte, während für
Spannung- oder Lebensdauerberechnungen das Ergebnis meist erst mit einer adaptiven
oder manuell verfeinerten Vernetzung ausreichend gut wird.
Die eigentlich sehr angenehme Eigenschaft, dass die Vernetzung bei der Berechnung von
Eigenfrequenzen keinen starken Einfluss hat, hat auch eine unangenehme Kehrseite.
Wenn ein Resonanzfall eintritt, die Eigenfrequenz einer entworfenen Struktur also in der
Nähe einer Erreger-Frequenz liegt, sollte diese Eigenfrequenz durch konstruktive Maß­
nahmen nach oben verschoben werden. Selbst wenn es gelingt, die Steifigkeit der Struk­
tur um 10 % (K → 1.1 × K) und die Masse dabei nur um 5 % zu erhöhen (m → 1.05 × m),
ergibt sich damit lediglich eine Veränderung von Faktor 1. 1 / 1. 05 , also nur 2.4 %! Daran
sieht man, dass das Verschieben von Eigenfrequenzen nicht mit kleinen konstruktiven
Maßnahmen, wie z. B. das Ändern einer Verrundung, zu erreichen ist, sondern ein grund­
legender Eingriff in die Steifigkeit der Struktur erforderlich ist. Daher ist es empfehlens­
wert, gerade bei Schwingungsproblemen möglichst früh mit der Simulation zu beginnen,
um Erkenntnisse daraus noch mit geringem Änderungsaufwand realisieren zu können.
Abschätzen des
Einflusses